همانند ماه، ستارگان، صورتهای فلکی و سیارات، این پدیدههای درخشان نیز بخشی ماندگار از میراث فرهنگی مشترک بشر بهشمار میروند. نورهای رقصانی که در آسمانهای نزدیک به قطبها ظاهر میشوند، نتیجه برهمکنش ذرات باردار گسیلشده از خورشید با میدان مغناطیسی زمین هستند. با این حال، با وجود پیشرفتهای گسترده در دانش فیزیک فضا، هنوز پرسشهایی بنیادین درباره سازوکار دقیق ایجاد این نمایشهای نورانی بیپاسخ مانده است؛ پرسشهایی که دانشمندان دههها در تلاش برای حل آنها بودهاند. یکی از مهمترین این پرسشها به منشأ میدانهای الکتریکی بازمیگردد که ذرات باردار را شتاب میدهند و آنها را به سوی جو زمین سوق میدهند.
در پژوهشی تازه، گروهی از محققان از دپارتمان علوم زمین و سیارهای دانشگاه هنگکنگ (HKU) و دپارتمان علوم جوی و اقیانوسی دانشگاه کالیفرنیا در لسآنجلس (UCLA) توانستهاند پاسخی قانعکننده برای این معما ارائه دهند. بر اساس تحلیلهای آنها، امواج پلاسما که در امتداد خطوط میدان مغناطیسی زمین حرکت میکنند ــ و با نام «امواج آلفوِن» شناخته میشوند ــ همانند یک شتابدهنده طبیعی عمل میکنند. این امواج با انتقال انرژی در طول خطوط میدان مغناطیسی، شرایطی را فراهم میکنند که طی آن ذرات باردار انرژی میگیرند و با سرعت بیشتری به سمت لایههای بالایی جو زمین هدایت میشوند. برخورد این ذرات پرانرژی با اتمها و مولکولهای موجود در جو، سبب برانگیخته شدن آنها و در نهایت تولید نورهای رنگارنگ شفقهای قطبی میشود.
پژوهشگران برای دستیابی به این نتیجه، دادههای بهدستآمده از چندین ماهواره در مدار زمین را بررسی کردند. از جمله این مأموریتها میتوان به «کاوشگرهای ون آلن» متعلق به ناسا و مأموریت «تاریخچه زمانی رویدادها و برهمکنشهای کلانمقیاس در طی طوفانهای زیرمداری» (THEMIS) اشاره کرد. این دادهها امکان مطالعه دقیق رفتار ذرات باردار و میدانهای الکتریکی مرتبط با آنها را در بخشهای مختلف مگنتوسفر زمین فراهم ساخت. همانگونه که پژوهشگران در مقالهای که در نشریه معتبر Nature Communications منتشر شده توضیح دادهاند، نتایج نشان میدهد که امواج آلفون با انتقال مداوم انرژی به ناحیه شتابدهی، میدانهای الکتریکی را حفظ میکنند؛ میدانهایی که در غیر این صورت بهتدریج تضعیف و ناپدید میشدند. به بیان دیگر، این امواج نقش حیاتی در تأمین و پایداری انرژی لازم برای شتاب گرفتن ذرات دارند.
پروفسور «ژونگهوا یائو» از دانشگاه هنگکنگ، که سرپرستی این پروژه را بر عهده داشته، هدایت یک تیم تخصصی در حوزه علوم فضایی و سیارهای را بر عهده دارد. او در بیانیهای رسمی از سوی دانشگاه هنگکنگ اعلام کرد: «این کشف نهتنها پاسخی قطعی به فیزیک شفقهای زمین ارائه میدهد، بلکه الگویی جهانی فراهم میکند که میتوان آن را برای سیارات دیگر منظومه شمسی و حتی فراتر از آن نیز بهکار برد. تیم ما در دانشگاه هنگکنگ سالها بر فرآیندهای شفقی در سیارات غولپیکر تمرکز داشته است. با بهکارگیری این دانش در تحلیل دادههای با وضوح بالا در نزدیکی زمین، توانستیم پلی میان علوم زمین و اکتشافات سیارهای ایجاد کنیم.»
اهمیت این پژوهش تنها به درک بهتر شفقهای زمین محدود نمیشود. بسیاری از سیارات منظومه شمسی، از جمله مشتری و زحل، نیز دارای میدانهای مغناطیسی قدرتمند و شفقهای قطبی چشمگیر هستند. سازوکارهای فیزیکی حاکم بر این پدیدهها ممکن است شباهتهای بنیادی با فرآیندهای رخداده در زمین داشته باشند. بنابراین، مدلی که این پژوهش ارائه میدهد، میتواند چارچوبی نظری برای مطالعه شفقهای سیارات دیگر نیز فراهم آورد و به درک عمیقتر از پویایی مگنتوسفرها در مقیاس کیهانی کمک کند.
این دستاورد علمی نتیجه همکاری میانرشتهای دو تیم پژوهشی بود. گروه دانشگاه UCLA به سرپرستی دکتر «شِنگ تیان» تخصص گستردهای در فیزیک شفقهای زمین و تحلیل دادههای ماهوارهای داشت. در مقابل، تیم دانشگاه هنگکنگ به رهبری پروفسور یائو از تجربه عمیقی در زمینه فیزیک سیارهای و مطالعه مگنتوسفر سیاراتی مانند مشتری و زحل برخوردار بود. ترکیب این دو حوزه تخصصی ــ یکی متمرکز بر زمین و دیگری بر سیارات دیگر ــ امکان ارائه تحلیلی جامع و چندبعدی را فراهم ساخت.
در مجموع، این پژوهش گامی مهم در حل یکی از معماهای دیرینه فیزیک فضا بهشمار میرود. اکنون روشنتر از گذشته میدانیم که چگونه انرژی خورشیدی از طریق امواج پلاسما در میدان مغناطیسی زمین هدایت میشود و چگونه این انرژی در نهایت به نمایشهای باشکوه نورانی در آسمانهای قطبی تبدیل میگردد. این کشف نهتنها شناخت ما از محیط فضایی پیرامون زمین را عمیقتر میکند، بلکه دیدگاه تازهای درباره تعامل ستارگان با سیارات و نقش میدانهای مغناطیسی در شکلدهی پدیدههای کیهانی ارائه میدهد.
